（通信与信息系统专业论文）高帧频相机精密调光技术.pdf

调姜 针对空间激光通信的特点和难点，本文为实现大气中的激光通信提出了一个新的 可行性方案。 空间激光通信尤其是在大气激光通信中，大气湍流对信标激光能量闪烁问题一直 是大气环境中激光通信的难点，本论文重点阐述了基于液晶的高帧频相机动态调光原 理和特点。通过与传统的机械调光、电子快门调光相比较，验证了基于液晶的高帧频 相机动态精密调光技术的可行性。 最后通过实验进一步证实：基于液晶的高帧频相机调光技术可以在空间光通信系 统中克服大气湍流引起的信标激光能量闪烁问题，并且可以保证在信标光在高帧频相 机上探测到的光斑能量相对稳定。从而为大气中的激光通信提供通信信道保障。 在此应用中，可以看出液晶作为2 1 世纪一种新型柔性可调的动态光学组件，在 空间光通信系统中有着广阔的应用前景。 关键词：空间激光通信液晶高帧频相机动态调光 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t ya n dc h a r a c t e r i s t i co ft h el a s e rc o m m u n i c a t i o n ，t h i sa r t i c l e b r i n g sf o r w a r dan e wf e a s i b l es o l u t i o nf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni na t m o s p h e r e t h ee n e r g yf l a s h i n ga n ds p o te x c u r s i o no fb e a c o nl a s e rc a u s e db ya t m o s p h e r e t u r b u l e n c ei sa l w a y st h em o s td i f f i c u l t , e s p e c i a l l yi nt h el a s e rc o m m u n i c a t i o n s ot h a tt h i s p a p e rd e t a i l st h ed y n a m i cl i g h t a d ：i u s t i n gp r i n c i p l eo fh i g hf r a m ef r e q u e n c yc c dc a m e r a b a s e do nl i q u i dc r y s t a l c o m p a r e dw i t hm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cs h u t t e r , i tp r o v e st h e f e a s i b i l i t yo fd y n a m i ce x a c tl i g h t a d j u s t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nl i q u i dc r y s t a l a tl a s t , i t p r e s e n t st h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m ，d a t aa n dr e s u l to fe x p e r i m e n t ，a n d d r a w sa c o n c l u s i o n ：t h ed y n a m i cl i g h t a d j u s t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nl i q u i dc r y s t a lc a n o v e r c o m et h ee n e r g yf l a s h i n ga n ds p o te x c u r s i o no fb e a c o nl a s e rc a u s e db ya t m o s p h e r e m r b u l e n c e ，t oe n s u r er e l a t i v es t a b i l i z a t i o no fl a s e rs p o te n e r g ya n dc e n t e ro fm a s sd e t e c t e d b yp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r , t h e r e b yi t e n s u r e st h ec h a n n e lf o rt h el a s e rc o m m u n i c a t i o ni n a t m o s p h e r e i ns u m ，i ti sp o i n t e dt h a tl i q u i dc r y s t a lc a l lc o m p o s ean e wt y p ed y n a m i co p t i c s m o d u l ew i t hf l e x i b l ea d j u s t i n g , a n dh a v ew i d e ra p p l i c a t i o nf o r c g r o u n di ns p a c eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o nl i q u i dc r y s t a l h i g hf r a m ef r e q u e n c y c c dc a m e r a d y n a m i cl i g h t a d j u s t i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，高帧频相机精密调光技术是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：塑盖型年鱼月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：毛d 心 翟唁 年三月丑一日 指导导师签名：鲤熊超年三啤日 1 1 研究背景 第一毒绪论 人类很早就开始光通信的研究，在一百多年前贝尔就获得了光通信的专利，但直 至上世纪5 0 年代这种研究仍处于概念阶段”。1 。1 9 6 0 年休斯公司研制成第一支激光器， 为光通信提供了一种理想的光源，由于激光器的光亮度高、方向性强、单色性和相干 性好，因而传输距离远，且易于调制和接收，是一种优异的信息载体，因此激光通信得 到了较快的发展，使光通信开始变得实际可行，并立即转入应用研究，建立了第一条 大气光通信系统“3 。3 。 激光通信是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，和传统的电 通信一样激光通信可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。有线激光通信就是 近二、三十年来迅猛发展起来的以光导纤维作为传输媒质的光纤通信，目前己成为高 速有线信息传输的骨干，具有了相当的规模，正在逐步取代传统的电缆通信”。无线 激光通信也称自由空间激光通信，它不使用光纤等导波介质，直接利照激光在大气或 外太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送。由 于大气散射和不可预测的气候干扰，通信质量较差，难以实用。光纤的问世，使光通 信的研究重点转向另一个方向光纤通信发展，并很快发展成了现代通信的基石， 普及全球，应用广泛”3 。 激光通信依传输介质的不同，又分为四种：光纤通信、大气通信、空间通信、水下 通信。其中大气通信是以大气作为传输介质的通信，是激光出现后最先研制的一种通 信方式；光纤通信则是利用光纤传输光信号的通信方式。尽管7 0 年代低损耗光纤和 室温连续工作半导体激光器的研制成功，使激光通信的研究重点转到光纤通信上，但 是由于大气激光通信相对于无线电、微波通信具有其独特的优点，各国对大气通信仍 有浓厚的兴趣，投入了大量的人力、财力、物力进行研究，研制出不少激光通信产品， 为大气通信的应用拓宽了道路“3 。 1 2 国内外研究现状及主要研究内容 国外非常看重光通信在航空航天、科学技术、国防及国民经济等领域具有潜在的 巨大吸引力的优点，从2 0 世纪7 0 年代就丌始了无线激光通信的研究。最近1 0 多年 来光通信在卫星通信中的应用更是取得了令人瞩目的进展，从丌始的概念研究、关键 技术研究和实验系统研究，到i f 在向工程化进展。在这方面，美国、欧洲、同本走在 了前面，耿得了一系列成果，它们之j 日j 既有合作也有竞争，共同促进了世界光通信的 发展。 欧洲空间局( e s a ) 于1 9 7 7 年夏就开展了高数据率空间激光链路研究，在上世纪8 0 年代中期制定了一个远大计划：s i l e x ( 半导体激光卫星间链路实验) 计划“1 ，该计划 率先在国际上完成卫星间光通信试验。此次通信实验室成功，可以说具有划时代的意 义，说明卫星激光通信终于可以进入了实用化的阶段。而且在a r t e m i s 卫星中做了多 项关于大气传输”1 嘲和主动调光的实验州，并着手建设下一代全光网络数据通信系统 【i o 】。 美国的a s t o rt e r r a 公司和t e r e x 公司分别在多个城市进行了大气能见度的监测， 在海岛之间、城市之间建立了大气激光通信实验链路，f s o i ( t r e e s p a c eo p t i c a l i n t e r c o n n e c t s ) 技术也迅猛发展“，英国也在伦敦市中心建立了几条大气激光通信 实验链路进行大气信道系统研究，并开展提高单链路带宽的研究“”，日本则在 o i c e t s “”卫星与地面、飞机与地面间进行了光通信实验，取得了上行下行链路光束传 播特性、通信特性“、地球背景光特性等宝贵资料，并且日本还在光半导体器件的可 靠性方面有很大的提高“”。目前世界上主要的研究机构有：美国国家航空航天局、美 国空军、以及由其支持的麻省理工学院林肯实验室、加州理工学院喷气推进实验室、 a s t o rt e r r a 公司等；欧洲空间局通信部；日本宇宙开发事业团、日本邮政省通信研 究实验室、高级长途通信研究所等。 我国很早就开始了大气激光通信的研究，进行了相关技术和装置的研究和研制。 中国船舶重工集团七一七研究所研制的大气激光通信设备，通信距离为l o k m 。现在烟 台大学实验通信距离超过2 0 k m “。2 0 0 0 年，我国信息产业部三十四所研制出用于4 公里内的近地实用大气激光通信系统，分别在桂林和北京架通了大气光通信实验链 路，进行了外场实验，取得了上行下行链路光束传播特性、通信特性、地球背景光特 性等宝贵资料。同时我国也很早就开始了激光在大气中的传输特性的研究，主要研究 单位有中科院安徽光机所大气光学实验，中科院上海光机所，电子科技大学应用物理 所，华中理工大学等。其中安徽激光机所多年来在我国的许多地方进行了许多观测， 获得了丰富的第一手资料，近期主要进行湍流大气中激光束的传输特性研究如光强的 累积概率分布、光斑统计特性、光束漂移，湍流强度对激光大气传输及其自适应光学 校证。还有激光在大气中散射“的研究也是很重要的。 1 3 本课题研究的意义和本文内容 激光通过大气传输时会与大气中的各种微粒发生相互作用，产生大气吸收和大气 散射效应，使得接收端激光的功率减小、光斑的廓形发生变化。另外，由于大气中存 在很多湍流旋涡，当激光通过这些旋涡时光波的强度、相位在时l 创和空问上都会呈现 随机起伏，产生光强闪烁、光束弯曲和漂移、扩展以及接收端光掰发生畸变等现象 【1 们【埘】 o 在光探测器像面上激光光斑的能量会发生变化，因此光束控制技术成为关键的系 统技术之一只有具备了高精度、快速的光束衰减控制能力的光束控制系统，包括了 高精度、高速的光探测器和高速、高精度的光束衰减器，对入射的激光能量进行自适 应控制，才能有效解决大气湍流产生的闪烁效应。 本文采用液晶装置和高帧频相机结合取代传统的诵光手段，实现实时、动态光强 接收和控制，从而达到高精度，快速的光束控制作用。实验中，采用高帧频相机接收 激光，在p c 机上进行实时处理运算，之后控制液晶驱动模块对液晶进行自适应控制， 使高帧频相机接收到的激光能量保持稳定。实现对激光光束进行实时控制，从而达到 稳定信标光的目的。 2 1 大气吸收的影响 第二章激光信号的大气信道 激光在大气中传输时受气候条件影响很大，既激光在传输时强度衰减很快，这主 要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的散射、吸收造成的。大气中使光的性质 受到影响的主要因素是二氧化碳、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒等。在较低的大气层中 大部分水分以细水滴、雾和水蒸气的形式结合起来，它占大气体积的百分之四，使大 气能见度变差，光的传播也受到天气的影响，雾对通信也有极大的影响。 激光在大气中传输时，因与大气相互作用而衰减。在线性光学范围内，光强i ( v ，z ) 随传输距离z 变化遵从著名的比尔( b e e r ) 定律。 i ( v ，办= i o ( v ) o x p - ( 口+ s k 】 ( 2 1 ) 式中i o ”) 为z - 0 参考面上光强，口，5 分别为吸收系数和散射系数，其和口+ s 称 为消光系数，t ，为频率。 吸收光辐射或光能是物质的一般属性。某种物质对某些范围内的光是透明的，而 对另一些范围内的光却是不透明的。大气分子对激光的吸收是由分子吸收光谱特性决 定的。大气分子的吸收特性较为复杂，且吸收系数强烈依赖于频率( 波长) 。完整的 描述任何一种气体分子的吸收特性应包含三个参数：频率、谱线特性和强度。 大气吸收光谱由若干单条谱线集合而成。从总体上看，在不同频率范嗣内表现为 线性吸收谱。每一条线谱的吸收中心频率由本身的分子结构决定，线性函数的形式取 决于谱线加宽机理。 2 1 1 自然加宽 每一个分子辐射能级都有自然寿命r ，可用阻尼振子模型分析。自然加宽线型函 数为洛仑兹( l o r e n t z ) 线型 乳哆小南 一丽1 ( 2 。2 ) ( 2 3 ) 式中u 为谱线中心频率。自然加宽的线宽在可见光区般为1 0 - 4 硎。 4 2 1 2 多普勒( d o p p i e r ) 加宽 气体分子总是处于无规律的热运动中。由于多普勒频移会造成谱线的加宽。从分 子热运动的麦克斯韦分布率得到多普勒加宽的线型函数 引吣毒( 翥) 2e ) 【p 卜【茄盯 眨a ， 吣砜( 罟t n z ) j 眨s ， 式中t 为温度，坍为分子量，k 为波尔兹曼常数，c 为光速。 2 1 3 碰撞加宽 在一定压强下，气体分子因互相碰撞引起寿命缩短和吸光谱线的加宽，称为碰撞 氏p 鳓卜高褥 q 6 ) - 一 ( 2 7 ) 气为平均碰撞时间，它的温度、压强和分子量以及碰撞截面等有关。 一般情况下，对低空大气层( 小于2 0 | b ，1 ) ，碰撞加宽是引起大气吸收谱线加宽的 主要因素。在高空大气层( 大于7 0 o n ) 由于气压低，多普勒加宽加宽成为主要因素。 当分析2 0 7 0 | b - n 大气吸收线宽时，碰撞加宽和多普勒加宽都要考虑，应当使用这两种 线型函数的卷积，称为综合加宽线型，或福格特( v o i g t ) 线型。 2 2 大气散射的影响 当光通过光学性质不均匀的物质时，我们在侧向可以看到光，这就是光的散射。 激光在大气中传输时，由于大气分子、气溶胶粒子和湍流不均匀性会产生散射。当散 射光的频率与入射光频率相同时称弹性散射，如分子散射和微粒散射等。 2 2 1 分子散射 分子散射又称瑞利散射，是激光被在传输路径上的大气散射所引起的，可用经典 电磁场理论解释。单分子的总瑞利散射截面q ( a ) 为 仃如，寺黟卜 仫8 ， 式中n s 为散射体的普密度。式( 2 8 ) 表明，分子散射截面与入射光波长四次方成 反l - t ：，因此在短波长区分子散射对激光传输影响很大，在红外区分子散射与其它效应 相l - t ：可以忽略。 2 2 2 微粒散射( 米( m i e ) 散射) 瑞利散射理论适用于分子半径r 远小于波长a 时的散射过程。当粒子半径增加到 一定尺度，一般认为尺度参数工：垒当，0 1 o 3 时，瑞利散射公式失效，应当使用描 述球形粒子散射的米氏理论。对米氏散射，因为有吸收存在，只用散射截面不足以表 征其散射特性，通常用散射效率因子酝( 工，以) 、吸收效率因子q ( z ，n ) n 粼g n 子g ( n ) 三个参数来描述。其中g ( z ，n ) 的截面为 q ( r ，a ，n ) 一砝2 q l ( 工， ) ( 2 9 ) 2 2 3 气溶胶散射 大气中的气溶胶粒子形态各异，尺度不一，通常把直径小于0 1 a n 的粒子称为 爱根( a i t k e n ) 核，0 卜1 a n 的粒子称大粒子，气溶胶粒子主要分布在0 卜1 0 m 之间， 包括履、云滴、冰晶、冰雹和雪花等，可用米氏散射理论近似处理气溶胶粒子的散射。 当气溶胶粒子的尺度分布为n ( r ) 时，其散射系数s ，吸收系数a 和衰减系数p 由下列 方程计算。 s 一q s ( 圳) h ( r ) r 2 d r ( 2 1 0 ) 口。q ( 圳) h ( r ) 办 ( 2 1 1 ) 弘- g ( 础) n ( r ) d r ( 2 1 2 ) 激光由地面向空中传输时，散射系数是高度的函数，分子和气溶胶粒子的散射系 数都随高度呈复指数规律变化，随高度增加而迅速减小。在近地面和低空，气溶胶散 2 3 大气湍流的影响 在大气光学领域，湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的 随机变化。湍流产生许多湍流元，这些湍流元由于温度、密度具有微小差异，因而其 折射率不同，并随风速等快速地运动并不断地产生和消灭，变化的频谱可达数百赫兹， 变化的空间尺度可能d , n 几毫米，大到几十米。当光束通过这些折射率不同的湍流元 时会产生光束的弯曲、漂移和扩展畸变等大气湍流效应，致使接收光强闪烁与抖动1 。 大气湍流对光束特性的影响陋1 程度与形式同光束直径d 与湍流尺度f 有很大关 系，大致可分为三种情况： ( 1 ) dt tf 。当光束直径远远小于湍流尺度时，犹如光束射入一个折射率与空气不 同的介质一样被折射。这时光束的传播方向或在接收面上的投影位置是随机漂荡的， 这就是光束漂移。 图2 1 尺度大于光束直径的湍流元造成的光束漂移示意图 ( 2 ) d - f ，当湍流尺度约等于光束直径时，湍流主要使光束截面发生随机偏转， 从而形成到达角起伏，使接收端的焦平面上出现像点抖动。 ( 3 ) 更常见的情况是d ，即光束直径远大于湍流尺度，这时光束截面内包含 许多小湍流漩涡，各自对照射的那小部分光束起衍射作用，使光束的强度和相位在 空间和时间上出现随机分布，相干性退化，光束面积也会扩大，从而弓i 起接收端的光 强起伏，同时衰减总体接收光强。 幽2 2 尺度小丁，光求的湍流元造成的接收端光强起伏或闪烁示意幽 2 ，4 大气湍流的数学模型 而当我们从麦克斯韦方程组和随机场理论出发，可以建立关于大气湍流的数学模 型嘲。 2 4 1 大气湍流的形态 从总体上看，大气湍流是非各向同性的，但在给定的小区域内可近似看成是均匀 和各向同性的，称为局域均匀各向同性近似。在这一前提下，大气折射率分布满足科 尔莫哥洛夫提出的大气折射率结构函数的或( r ) 的“2 3 定律” 2 见( ，) - e ，i毛c tr t t k ( 2 1 3 ) 式中，r 为统计湍流特性两点间距离，矗、k 分别为湍流的内尺度和外尺度。当 所研究的空间尺度小于矗时，粘性耗散对大气起伏影响起主要作用，抑制了湍流的进 一步发展。当所研究的空闻尺度大于k 时，气流的惯性力对大气起伏特性影响起主要 作用。c ：越小，则气流越弱，随地理位置、高度、气象条件、季节和昼夜等条件 的不同变化很大。 可导出折射率谱密度函数中。( k ) 的“一i i 3 定律” 1 1 m 。( k ) ；o 0 3 3 c ：k i ( 2 1 4 ) 式中k 为大气湍流的空间波数。 2 4 4 大气湍流效应 激光在大气中传输时会产生如下几种效应： ( 1 ) 强度起伏( 大气闪烁) 激光束的强度起伏常用对数强度起伏方差表示。在满足柯尔莫哥洛夫谱条件下， 对数强度起伏方差开为 口? - 彳c ：k 6 r ”8 ( 2 1 j ) 式中l 为传输距离，a 为常数，对球面波和平面波，分别为0 4 9 6 和1 2 3 。而且 分布服从t f 念分布。 ( 2 ) 漂移和扩展 有限束宽激光在湍流大气q ，传输时光束会出现漂移和扩展。当观察时间很短时， 这两种效应基本上是独立的。当观察时间较长时，扩展了的光束实际上包含了漂移的 影响，称为长期扩展。 一般情况下湍流造成光束扩展可比光束自身的衍射极限大2 到3 个量级，因而使 通过的大气传输的激光光强大为降低。 ( 3 ) 相位起伏和到达角起伏 具有等相位波前的激光通过大气时，由于折射率起伏会导致波前上各点相位产生 起伏。 平面波相位结构函数的实验统计公式为 d 。( r ) - 1 4 5 7 c ：, k 2 l 5 n 仉( ，) 一2 9 1 2 c = k ：l 5 3 k r 儿 r 舡 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 相位起伏概率为正态分布，其平均值大于纫。当偏移平均值的总相移具有正态 分布时，相位实际上均匀分布在0 2 耳的范围内。 激光在湍流大气中传输时，光束截面的随机偏转会引起到达角起伏，到达角起伏 的均方值c 可表示为 ( 8 ) - 拶 ( 2 1 8 ) 于是汨) 可由相位结构函数求出。 2 5 大气激光信道波长的选择 大气激光信道是指在近地范围内激光通信时发射机接收机闯的光信道。从信道质 量上来看，这种信道干扰最严重。大气和地面对太阳光的散射以及来自人造光源杂散 辐射还有大气湍流造成的闪烁现象都会对激光通信造成影响。太阳的辐射可以等效为 一个色温为5 7 6 2 k 的黑体，其光谱分布的峰值为5 0 0 h m 左右，对于常用的激光波段， 8 0 0 n m 波段的辐射强度为峰值波长的二分之一，1 0 6 0 n m 波段的辐射强度为峰值波长的 三分之一，1 5 0 0 n m - 1 6 0 0 n m 波段的辐射强度为峰值波长的十分之一，波长进步缩短 时太阳的辐射强度迅速下降。对于大气空日j 的背景辐射，大气的折射率是另一个重要 的影响因素。在小于3 0 0 n m 的紫外线波段，大气的透过率急剧下降，故紫外激光不利 于大气通信。常用的激光波段8 3 0 n m - 8 6 0 n m 、9 8 0 n m - 1 0 6 0 n m 、1 5 5 0 h m - 1 6 0 0 n m 波段都 是良好的大气窗口。 q 第三章液晶技术的基本理论及应用 3 1 液晶的基本概念 液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊 物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可 分热致液晶和溶致液晶两类。 液晶态，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特 殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。液晶 态既像液体具有流动性和连续性，而其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式， 具有光学性质各向异性等晶体特征的物理性质。其结构介于晶体和液体之间，所以也 称它为介晶态。由于液晶态物质特殊的微观结构，因而呈现出许多奇妙的性质，如光 学透射率、反射率、颜色等性能对外界的力、热、声、电、光、磁等物理环境的变化 十分敏感，因而在电子工业等领域里广泛应用。目前，液晶的应用领域主要有：显示、 软件复制、检测器、感受器及分析化学等方面。 3 2 液晶技术发展简介 1 8 8 8 年奥地利植物学家f r i e d r i c hr e i n i t z e r 发现在加热胆甾醇苯酸酯晶体时， 当温度升至1 4 5 5 时，晶体融化成乳白色粘稠液体，继续加热到1 7 8 5 ，乳白粘 稠的液体又变成完全透明的液体。德国结晶光学创使人o t t ol e h m a n n 确认此种物质 呈现出光学各向异性，并根据这种兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性的特点， 建议称之为液体晶体。液晶是介于各向异性晶体和各向同性液体之间的一种中介物， 也被称为物质的第四态。 1 8 9 0 年海德伯格大学的g a t t e r n m a n n 发现了氧化偶氮茴香醚( a z o x y a n i s o l e ) 的 液晶相，引起了极大的兴趣。1 9 0 0 年h a l l e 大学的v o r l a n d e r 研究小组开始了液晶的 有机化学的研究。1 9 0 8 年发现液晶分子为棒状或饶曲状分子，近晶相分子具有多种相 态，并且合成了直链型高分子液晶，从此创立液晶化学。随之液晶物理学的研究发展 迅速。法国的g e o r g ef r i d e l 完成了历史上最重要的研究成果之一的液晶分类，即近 晶相、向列相和胆 相。上世纪3 0 年代初期，g w o s e e n 和h z o c h e r 等创立了液晶 的连续体理论，此理论是研究液晶宏观性质的经典理论，幽f c f r a n k 在1 9 5 8 年最 终完成。直到上世纪5 0 年代初期液晶领域的研究只是基础研究，尚无应用研究。 1 9 6 8 年g h h e i h o e i r 提出动念散射模式( d s m ) ，1 9 6 9 年西夫碱类化合物 m b b a ，e b b a 作为室温向列相液晶使用，m b b a 化合物是具有d s m 要求的负介电各向异性 向列液晶的代表。随后偶氮化合物发表，丌始了d s 显示的时代。d s m l c d 戍用场效应 1 0 和离子电流电压效应，耗电量大，驱动电压高，上世纪7 0 年代初m s c h a d t 提出t n 显示，应用于计算器和手表、各种测试设备、汽车仪表的显示。 从液晶的发现到今天液晶显示器的广泛应用，已经经历了一百多年的历程。液晶 材料在液晶显示器件的发展过程中起着十分重要的作用，随着液晶显示技术水平的提 高，对液晶材料的性能提出了更高的要求。每一种新的液晶显示方式的实现，总是伴 随着新的液晶材料的出现。越来越多的液晶材料的开发正给信息显示带来一场新的革 命。在研究的过程中，通过对新的最前沿的相关技术的不断发展趋势的分析，可以预 见：液晶技术将成为光遥信领域的主流技术平台。 3 3 液晶分类 液晶分类有两种分类方法，即根据液晶分子排列划分、根据形成的条件和组成划 分。 ( 1 ) 根据液晶的分子排列，可分为向列相( n e m a t i c ) 、近晶相( s m e c t i c ) 、胆甾相 ( c h o l e s t e r i c ) 三种( 图3 1 ) 。向列相液晶分子位置无序，但分子轴取向有序。近晶相 液晶分子排列较规则，它是排列成层的，其分子的位置在层面内不规则，但在垂直于 层面的方向上是规则的。手征性的向列相液晶也称为胆甾相液晶，所谓手征性是指选 择性地反射一部分圆偏振光的能力。胆甾相液晶的分子的在某一层中有单一的排列方 向，逐层堆积，一层分子的指向矢都稍微偏离邻近的一层，形成螺旋结构。胆甾型液 晶具有反射波长为一螺距的可见光的特性，螺距又很强烈的依赖于温度，居于此，胆 甾型液晶可以用于制造温度计和传感器。 徽；懒 液 i 是善# 列 丧；2 器羁f 列 鹱 、一 液嚣鞲冽 幽3 1 液晶分子排列 ( 2 ) 根掘形成的条件和组成，液晶可以分为两类，即热致液晶( t h e r m o t r o p i c l i q u i dc r y s t a l s ) 和溶致液晶( l y o t r o p i cl j q u i dc r y s t a l s ) 。静者呈现液晶相是由 温度引起的，并且只能在一定温度范围内存在，一般是单组分，而溶致液晶是符合 一定结构要求的化合物与溶剂组成的液晶体系，幽两种或者两利以上的化合物组成。 最常见的溶致液晶是由水和“双亲”( a m p h i p l i l i c ) 性分子所组成。所谓双亲性分子 是指分子结构中即含有亲水的极性基团，也含有不溶于水的非极性基团即水基团。下 面我们根据液晶分子排列所作的分类对每种液晶作简要介绍。 3 3 1 近晶相液晶川 近晶相液晶简写为s ，它是由棒状或者条状分子组成，分子排列成层，层内分子 长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的 长度，排列整齐，像一块板刷，各层之间的距离可以变动，分子可以前后，左右滑动， 但不能上下层之间移动，因分子排列整齐，接近晶体，具有二维有序，分子质心位置 在层内无序，可以自由平移，从而有流动性。 3 3 2 向列相液晶嘲咖 向列相液晶比近晶相液晶的粘滞度低，而同一液晶物质具有向列相和近晶相时， 向列相必定靠近高温的一侧，结晶一近晶相一向列相一液晶。在玻璃片之间夹着液 晶加热，首先形成各向同性液体，再逐渐冷却下去，直至向列相液晶从各向同性液体 中析出来，析出的向列相液晶为球形液滴，而不象近晶相那样形成棒状。向列相液晶 是由长径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性。具有类似于普通流体的 流动性，分子不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相 互平行或近于平行，如图3 2 图所示。分子间短程相互作用微弱，属范德华引力，其 自由能变化a g t t 2 0 9 千焦摩尔。这种分子长轴彼此互相平行的自发取向过程使液 晶产生高度的双折射性，即以，一n 。，和n 。分别表示平行和垂直于分子轴方向的折 射率。向列相液晶的折射率差总是大于零，即血= n ，一n ，0 。 图3 2 向列相液晶的分子排州模式 在向列相中由于热扰动，分子排列并不是完全平行。而是符合一定的统计分布， 放可用有序参数s ( o r d e rp a r a m e t e r s ) 描述： s ，三f 3 c o s 2 e - 1 ( 3 1 ) 2 式中，口是分子长轴和择优取向之问的央角。- 二三角括号表示存一定守州时间内的 平均值。 向列相又可分为经典向列相和群聚向列相，前者的液晶分子长轴保持平行或者近 于平行，具有一维有序，后者的液晶分子是长轴平行，并且成束状，接近于近晶相结 构，具有狭窄的二维有序区域，但它们的组织结构和光学性质与近晶相有所不同。 3 3 3 胆甾相液晶 这种类型的液晶只限于具有光学活性的液晶物质中才出现，其中大多数是胆甾醇 类的衍生物，故称为胆甾相液晶，但也存在胆甾醇类的衍生物以外的胆甾相液晶1 物质。 用偏光显微镜观察胆甾相液晶，发现它与向列相液晶和近晶相液晶的光学性质不 同，为负的单轴晶体，所以把胆甾相液晶看成与向列相液晶及近晶相液晶都不同的第 三类的液晶。这类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分 子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构，当不同的分子长轴排列沿螺 旋方向经历3 6 0 0 的交化后，又会到初始取向，这个周期的层间距离称为胆甾相液晶的 螺距( p ) 。胆甾相实际上是向列相的一种畴交状态。因为胆甾相层内的分子长轴彼此 也是平行取向，仅仅是这一层面到另一层面时的均一择优取向旋转一个固定角度，层 层叠起来，就形成螺旋排列的结构。所以在胆甾相液晶中加入消旋向向列相液晶或非 液晶化合物，能将胆甾相转成向列相。将适当比例的左旋，右旋胆甾相混合，在某一 温度区间内，由于左右旋的相互抵消转变成向列相液晶，电场、磁场也可以使胆甾相 液晶转变成向列相液晶；反之，向列相液晶中加入旋光性物质，会形成胆甾相。 胆甾相液晶中，分子指向矢分为左旋和右旋，取决于其构成分子。一般的讲，螺 距的长度p 接近可见光波长，胆甾相螺旋结构的螺距易受外界因素的影响，特别对温 度很敏感。当温度变化时，螺距也随之变化，从而使得胆甾相呈现不同的颜色，胆溺 相的这种色温效应可以用于测量表面温度。 综上所述，热致液晶大致可以分为近晶相、向列相和胆甾相三大类，各种类型的 液晶具有不同的结构和性质。由于液晶的分子排列并不象晶体结构那样牢固，所以容 易受到电场、磁场、温度、应力等外部操作刺激的影响，因而很容易使其各种光学性 质发生变化。液晶的这种性质，正是液晶能开拓出目前所见到的广泛的应用的关键条 件。 3 4 液晶光电特性 3 4 1 胆甾相液晶光电特性 这类液晶大部分是胆箔醇的各种衍生物，故名瞻 相。胆 ；相液晶有很强的光学 活性，并且有天然的螺旋结构。这类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相瓦 平行，分子长轴平行于层平面。不同层的分子长轴方向稍有变化，相邻两层分子，其 长轴彼此有一轻微的扭曲角( 约为弧度1 57 ) ，多层分子的排列方向逐渐扭转成螺旋 线，并沿着层的法线方向排列成螺旋状结构( 图3 3 ) 。 c 二)- “ 虢蟊移千始勘受 图3 3 胆甾相液晶结构 螺旋结构用螺距表征，其螺距比较小的胆甾相可转动偏振光的电矢量。螺旋结构 用螺距表征，其螺距在0 2 到1 0 0 朋。螺距比较小的胆甾相可把白光分成彩虹色的 光谱。当螺旋结构的周期与光波长同量级时，螺距起到了衍射光栅的作用。螺旋结构 还选择性地反射光的偏振组分，给出彩虹图像，观察到的色彩取决于照明角度、胆； 相材料性质和温度。螺距对温度的影响十分敏感，因此，不同温度条件下，例如，自 然光时，只要0 0 1 温差，即使在同一观察角也会得到不同波长的布拉格( b r a g g ) 散射光。 胆，甾相实际上是向列相的一种特殊状态，采用添加旋光性物质的办法，可使通常 的向列相或近晶相液晶转变成胆甾相。这是形成胆甾相的又一途径，它与胆甾醇无关。 反过来，在胆甾相中加入消旋向列相液晶或非液晶物质，能将胆甾相转变为向列相。 将适当比例的左旋、右旋胆甾相混合，在某一温度区域内，由于左右旋的相互抵消， 转变成向列相。电场、磁场可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。这些都说明胆掰相和 向列相结构的紧密关系。胆潲相液晶出于旋转的阻碍，一般比向列相更粘，但不如近 晶相那样呆滞。 3 4 2 向列相液晶光电特性 一般最常见的液晶为向列( n e m a t i c ) 液晶，分子形状为细长棒状，通常采用沿分 子长轴方向的单位矢量n ( 指向矢) 束描述液晶分子的排列状态。在不同电场作用下， 液晶分子会作规则旋转排列，产生透光度的差别。液晶分子由于它的细长结构和具有 4 一 两种介电常数，从而在形状、介电常数、折射率及电导率等方面具有各向异性的特点， 当对这样的物质施加电场后，随着液晶分子轴的排列变化，其光电特性也会发生变化。 根据介电特性的不同，液晶可分为正介电各向异性液晶( p 型液晶) 和负介电各向异性 液晶( r l 型液晶) 。液晶的光轴受施加的电场的影响，表明利用它可以制造电光调制器。 一般来说，液晶的电光效应有：扭曲向列效应、动态散射效应、电控双折射效应、混 合场效应等m ，。 ( 1 ) 液晶的扭曲效应 呻囤 图3 4 扭曲一向列效应 按照图3 4 ( a ) 的结构做成一个液晶盒，对基片b 、b ：进过预定向处理，可使基片 表面的分子沿预定方向排列，此处，两基片的预定方向互相垂直。在前基片b ，之前放 置一块起偏器p ，并使其透光轴方向与b j 上的分子长轴方向一致；在后基片b ：之后放 置一块检偏片a ，使其透光轴方向与p 的平行，如图3 4 ( a ) 所示。这时，若有一束光 自左边方射入液晶盒，因为由p 产生的线偏振光在液晶层后，偏振方向偏转了9 0 度， 结果不能通过检偏器a 。现在，在液晶盒上施加适当的电压，如图3 4 ( b ) 所示，( 此 处讨论p 型液晶) 由于电场对液晶分子的取向作用，使得大部分分子的长轴沿电场方 向排列，这使入射的线偏光基本不受影响，结果到达b ：基片的光偏振方向基本不变， 有一小部分光能从检偏器a 出射。 ( 2 ) 动态散射效应 对于不太薄的1 3 型液晶层，当施加在液晶盒上的交变电场频率小于其一临界值、 电场强度大于某一临界值时，液晶分子将产生紊乱的运动，使各处的折射率随时间发 生变化，从而使入射光受到散射，这就是动态散射效应。某些液晶的动态散射效应具 有记忆功能，即动态散射效应并不随外电场的撤除而立即消失，它会维持一段时问。 如果需要撤除记忆，则需要加上一个超过临界频率的电场。动态散射效应通常用于液 晶显示和存储，也可以在光阀中使用。 ( 3 ) 电控双折射效应 门出 1 日疆 钿 n ! 广一 一啡铷 图3 5 电控双折射效应 如果液晶盒内的液晶是n 型的，而且两基片使液晶分子在不加外电场时是垂面排 列，则这种液晶盒不会改变入射光的偏振状态。也就是说，若把它放在正交的起偏器 和检偏器之间，入射光不能通过这个组合，如图3 5 ( a ) 所示。现在给液晶盒加上适当 的电场，如图3 5 ( b ) 所示，由于n 型液晶分子长轴有转向沿面排列、即垂直于外场排 列的趋势，这就使整个液晶盒变得象一个光轴倾斜于表面的晶片那样，对入射偏振光 产生双折射作用。分子长轴的偏转方向取决于对基片表面的物理和化学处理的方向 性；偏转角度取决于外场的大小和液晶分子之间、以及液晶分子与基片表面之间作用 力的大小，其值在o o 到9 矿范围内。一般地说，入射线偏振光经过液晶盒后将变成椭 圆偏振光，从而有一部分光能够通过检偏器出射。 ( 4 ) 混合场效应 混合场效应是扭曲向列效应和电控双折射效应的结合。尽管液晶有多种电光效应 可以用来对读出来光波进行调制，但是目前在光学信息处理领域内，应用较广泛的液 晶光阀都是利用了混合场效应。混合场效应最早由美国休斯研究实验室提出。简单地 说，它就是利用扭曲向列排列获得光阀的“关闭”状态；利用外电场的电控双折射获 得光阀“开启”状态。 4 1 传统调光技术 第四章调光技术 传统的自动调光方法一般利用变密度盘或电子自动快门实现。 4 1 1 变密度盘调光方法 在我国早期研制的大型经纬仪中的调光系统，采用的是变密度盘调整像面照度的 方法啪1 。变密度盘是一对光学透过率随角度改变的中性滤光片( 见图4 1 ) ，安装在垂直 于光轴、与像面平行的光路中，转动光学密度盘改变光学透过率，实现对像面照度的 调整。 t 1 0 0 透 过 逝1 5 7 1 05 03 6 0 e 转角 图4 1 变密度盘透过率曲线 整个调光原理具体如下：利用变换平衡电桥参数的方法来控制像面的照度，检测 元件为光敏电阻，每次摄影时，操作人员预先用照度计测出天空背景照度值，根据曝 光列线表，选择合适的电阻装在电桥的一个臂上，用来设定背景的照度值。模拟信号 经过伺服放大驱动直流电机带动密度盘转动，实现调光。这种调光系统的优点是不影 响成像分辨率，适合大孔径系统；缺点是不稳定环节多，调整过程烦琐，需要不断的 人工干预。 上世纪八十年代中期研制的经纬仪，对调光系统进行了改进，改模拟调光为数字 调光”。光照信号经过密度盘照射在光敏电阻上，信号经采样保持、模数变换输入到 单片机进行一定时问内的积分运算，其结果与预定的最佳调光值比较控制电机带动密 度盘旋转实现调光。其调光原理见图4 2 。出于引入单片机，提高了调光系统自动化， 在调光过程中脱离了人为干预，降低了调光的复杂性。另外，由于单片机的引入，就 存在选择更合适的调光算法、实现人工智能调光的可能。但是此系统还是存在定的 缺点，主要体现在由于是电机控制密度盘，导致整个闭珥系统的响应速度很低，同时 控制系统的体积比较庞大。 密度盘 4 i 2 电子快门调光方法 图4 2 变密度盘自动调光 c c d 相机一般拍摄活动图像时用场积累方式工作，以提高活动图像清晰度。在无 电子快门的相机中，收集时间是固定的，如图4 3 ( a ) 所示。在具有电子快门功能的相 机中，控制每个像素的电荷积累时间，以控制入射光在c c d 芯片上的有效作用时间， 也即在一场内只将某一段时间产生的电荷作为图像输出，而将其余时间产生的电荷排 放掉，不予使用。这样就等效于缩短了存储电荷时间，相当于缩短光线照射在c c d 芯 片上的时间”1 ，如同加了快门一样，这就是电子快门工作原理，如图4 3 ( b ) 所示。 獭子快1 1 的相机 电荷充电桑泰开始采鼻结柬 毒宵电子快门功能的相机 电荷充电采集开始采集结束 l u 山ul u j 山l u 山 l 叫u l j 叫u l j u 钳1 陆神 七l 幽4 3 电子快fj | 作原理 一组高j 快门脉冲，加在c c d 器件的n 一衬底t ，用来释放m o s 电容收集电荷的有 效时间，是从最后一个快门脉冲到c c d 器件转移脉冲来到时为止，这个时间称为快j j 时间，改变最后一个快门脉冲位黄，就改变了快门时间。快门时间就是c c d 器件的有 效积分时间。 4 2 液晶调光技术相对优势 传统的自动调光方法一般利用电子自动快门或变密度盘实现，在前面章节已经做 了简单的介绍。被捕获的目标经过光学镜头成像于c c d 靶面，由于c c d 相机对目标与 背景的衬比即背景光的亮度有一定的要求，为了在跟踪过程中使衬比最佳，必须通过 电子快门与机械调光相配合的方法。但在空间光通信系统中，由于激光信号在传输过 程受大气湍流的影响，湍流引起光信号大幅度变化，仅仅靠电子调光很难保证系统的 高动态范围的要求，在弱光情况下对高速运动目标图像也容易产生模糊。在大气激光 通信系统中，由于湍流引起的剧烈的信号抖动，其频率较